超大質(zhì)量合并：90 億年前黑洞碰撞形成的 Sgr A*

像我們這樣的大型星系是超大質(zhì)量星系的宿主黑洞（SMBH。它們的質(zhì)量可能如此之大，以至于無法理解，其中一些的質(zhì)量是太陽的數(shù)十億倍。

我們的星系被命名為人馬座 A* （Sgr A*），質(zhì)量要小一些，約為 400 萬太陽質(zhì)量。

天體物理學(xué)家對(duì) Sgr A* 進(jìn)行了研究，以了解更多關(guān)于它的信息，包括它的年齡。他們說它形成于大約 90 億年前。

SMBH 是宇宙中最迷人的天體。它們?nèi)绱司薮?，以至于它們的引力可以捕獲光線。它們被一個(gè)稱為吸積盤的旋轉(zhuǎn)材料環(huán)包圍，該吸積盤將材料送入孔中。

當(dāng)它們積極進(jìn)食時(shí)，它們被稱為活躍的星系核 （AGN）。最亮的 AGN 被稱為類星體，它們可以比整個(gè)星系更亮。

科學(xué)家如何確定這些混雜物體的年齡？他們?nèi)绾螌W(xué)習(xí)我們的黑洞， Sgr A*， 形成？通過收集數(shù)據(jù)、拼湊數(shù)據(jù)并運(yùn)行模擬。

這項(xiàng)工作于 2017 年 4 月正式開始，當(dāng)時(shí)事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT） 觀測(cè)到星系 M87 中心的黑洞。那是我們第一次看到黑洞的圖像，并隨后在2022 年 EHT 觀察到 Sgr A*.

發(fā)表在《自然天文學(xué)》上的新研究依靠 EHT 觀測(cè)來確定 Sgr A* 的年齡和起源。它的標(biāo)題是”銀河中心黑洞過去合并的證據(jù)。“ 作者是 Yihan Wang 和 Bing Zhang，他們都是內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校的天體物理學(xué)家。

黑洞以兩種方式生長(zhǎng)。它們會(huì)隨著時(shí)間的推移而積累物質(zhì)，然后合并。天體物理學(xué)家認(rèn)為，形成 SMBH 需要星系合并，Sgr A* 也不例外。它可能是通過合并形成的，盡管它也增加了材料。

Sgr A* 是不尋常的。它旋轉(zhuǎn)迅速，相對(duì)于銀河系沒有對(duì)齊。根據(jù) Wang 和 Zhang 的說法，這是過去合并的證據(jù)，可能與一個(gè)早已消失的衛(wèi)星星系合并，稱為蓋亞-土衛(wèi)二.

作者在他們的論文中寫道：“事件視界望遠(yuǎn)鏡 （EHT） 提供了銀河系中心的 SMBH Sgr A* 的直接成像，表明它可能快速旋轉(zhuǎn)，其自旋軸相對(duì)于銀河系平面的角動(dòng)量明顯錯(cuò)位。

這對(duì)研究人員使用計(jì)算機(jī)模擬來模擬合并對(duì)銀河系黑洞的影響。

“通過研究各種 SMBH 增長(zhǎng)模型，我們?cè)谶@里表明 Sgr A* 的推斷自旋特性為過去的 SMBH 合并提供了證據(jù)，”作者寫道。

他們的工作表明，具有高度傾斜軌道配置的 4：1 質(zhì)量比合并可以解釋 Sgr A* 的 EHT 觀測(cè)結(jié)果。

“受到銀河系和蓋亞-土衛(wèi)二合并的啟發(fā)，其質(zhì)量比為 4：1，由此推斷蓋亞數(shù)據(jù)中，我們發(fā)現(xiàn) SMBH 的 4：1 主要合并具有相對(duì)于視線 （LOS） 的 145-180 度的二進(jìn)制角動(dòng)量?jī)A角，可以成功復(fù)制 Sgr A* 的測(cè)量自旋特性，“作者在他們的工作中解釋道。

“這次合并可能發(fā)生在大約 90 億年前，在銀河系與蓋亞-土衛(wèi)二星系合并之后，”UNLV 杰出的物理學(xué)和天文學(xué)教授、內(nèi)華達(dá)州天體物理學(xué)中心的創(chuàng)始主任 Zhang 說。

“這一事件不僅提供了分層黑洞合并理論而且還提供了對(duì)我們銀河系動(dòng)態(tài)歷史的見解。

“這一發(fā)現(xiàn)為我們了解超大質(zhì)量黑洞如何生長(zhǎng)和演化鋪平了道路，”主要作者 Wang 在一份新聞稿中說?！癝gr A* 未對(duì)準(zhǔn)的高自旋表明它可能已經(jīng)與另一個(gè)黑洞合并，極大地改變了它的振幅和自旋方向。”

“我們銀河系中的這一合并事件為 SMBH 形成和增長(zhǎng)中的分層 BH 合并理論提供了潛在的觀測(cè)支持，”作者在結(jié)論中寫道。

當(dāng)星系合并時(shí)，它們的中心黑洞也會(huì)合并。雖然這在很大程度上是理論上的，引力波天文臺(tái)正在探測(cè)到越來越多的黑洞合并。

然而，由于我們的天文臺(tái)的頻率范圍，他們只探測(cè)到恒星質(zhì)量黑洞合并。SMBH 合并將產(chǎn)生低得多的引力波頻率，這超出了探測(cè)器的范圍，例如LIGO/Virgo/KAGRA.該系統(tǒng)的探測(cè)器靠得太近，無法檢測(cè)到較低的頻率。

作者還指出了 SMBH 合并率在其他模擬中確定的，例如Millenium 模擬，這表明在可觀測(cè)的宇宙中每年可能有數(shù)百或數(shù)千個(gè)。

“推斷的合并率與理論預(yù)測(cè)一致，表明預(yù)計(jì)在 2030 年代運(yùn)行的星載引力波探測(cè)器的 SMBH 合并檢測(cè)率很有希望?！?/p>

有計(jì)劃建造可以檢測(cè)這些較低 SMBH 合并頻率的設(shè)施。歐洲航天局和美國(guó)宇航局正在計(jì)劃一項(xiàng)名為麗莎（激光干涉儀空間天線）可以探測(cè)到這些波。LISA 將由三個(gè)航天器組成，它們作為干涉儀一起工作。每個(gè)航天器將長(zhǎng) 250 萬公里。

SMBH 是宇宙中最令人費(fèi)解的天體之一，研究起來令人生畏。然而，即使沒有任何 SMBH 合并的引力波證據(jù)，這項(xiàng)研究也有助于加深我們對(duì)這些合并的理解。

本文最初由今日宇宙.閱讀原創(chuàng)文章.

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